گرافن نامی است که بر صفحات دوبعدی کربن که به صورت شش ضلعی و شبیه به لانه زنبور در کنار یکدیگر قرار گرفته اند نهاده شده است.

گرافن نامی است که بر صفحات دوبعدی کربن که به صورت شش ضلعی و شبیه به لانه زنبور در کنار یکدیگر قرار گرفته اند نهاده شده است. با قرارگیری این صفحات دوبعدی برروی یکدیگر، گرافیت شکل می گیرد که برای اولین بار منجربه آشنایی با ماده ای شد که تا سالها حالت پایداری برای آن متصور نبودند. شناسایی این نانومواد دوبعدی پس از آن حاصل شد که برای اولین بار باچسباندن نوارچسب بر روی گرافیت به لایه ای از گرافن دست یافتند. گرافن با مشتقات خود نظیر باکی بال ها و نانو لوله های کربنی، انقلابی در دنیای مواد ایجاد نموده و خواص مکانیکی و شیمیایی کم نظیری را به نمایش گذاشته اند. ضمن امکان قرارگیری سه صفحه گرافن به کمک پیوند واندروالسی برروی یکدیگر و همچنین با بروز مشکلاتی نظیر برهم خوردن نحوه جایگیری شش ضلعی اتم های کربن، مشخصات گرافن به شدت تحت تأثیر قرار خواهد گرفت. بااین وجود هنوز هم گزینه اول جایگزینی بسیاری از مواد مورد استفاده بشر تاکنون می باشند. گرافن به علت داشتن خواص فوق‌العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک‌پذیری حامل‌های بار، رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی به ماده‌ای منحصر بفرد تبدیل شده‌ است. این سامانه جدید حالت جامد به واسطه این خواص فوق‌العاده به عنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکان در نسل بعدی قطعه ‌های فوتونیکی و الکترونیکی در نظر گرفته شده ‌است و از این رو توجه کم سابقه‌ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده ‌است. طول پیوند کربن ـ کربن در گرافن در حدود ۰٫۱۴۲ نانومتر است. ساختار زیر بنایی برای ساخت نانو ساختارهای کربنی، تک لایه گرافن است که اگر بر روی هم قرار بگیرند توده سه بعدی گرافیت را تشکیل می‌دهند که برهم کنش بین این صفحات از نوع واندروالسی با فاصله بین صفحه‌ای ۰٫۳۳۵ نانومتر می‌باشد.

اگر تک لایه گرافنی حول محوری لوله شود، نانو لوله کربنی شبه یک بعدی و اگر به صورت کروی پیچانده شود فلورین شبه صفر بعدی را شکل می‌دهد. لایه ‌های گرافن از ۵ تا ۱۰ لایه را به نام گرافن کم لایه و بین ۲۰ تا ۳۰ لایه را به نام گرافن چند لایه یا گرافن ضخیم یا نانو بلورهای نازک گرافیتی می‌نامند. از نظر مکانیکی، مقاومت کششی نهایی گرافن برابر ۱۳۰ گیگاپاسکال (در مقایسه با مثلاً ۴۰۰مگاپاسکال فولاد) است. از نظر الکتریکی، گرافن خالص تک لایه از خود خواص شبه فلزی نشان می‌دهد. علاوه بر این‌ها خصوصیات سامانه‌های گرافن به ‌طور مستقیم به تعداد لایه‌ های گرافن موجود در سامانه مورد نظر بستگی دارد. به عنوان مثال، گذردهی نوری برای گرافن تک لایه تقریباً برابر با ۹۷ درصد و مقاومت صفحه آن ۲/۲ می‌باشد و گذردهی نوری برای گرافن‌های دو، سه و چهار لایه به ترتیب ۹۵، ۹۲ و ۸۹ درصد با مقاومت صفحه به ترتیب ۱، ۷۰۰ و ۴۰۰ است که نشان دهنده آن است که با افزایش تعداد صفحات گرافن گذردهی نوری سامانه کم می‌شود. از سوی دیگر چگالی حامل بار در گرافن از مرتبه ۱۰۱۳ بر سانتی‌متر مربع با تحرک‌پذیری تقریباً بسیارزیاد و با مقاومتی از مرتبه ۶-۱۰ اهم-سانتی ‌متر است که به نحو مطلوبی قابل مقایسه با ترانزیستورهای اثر می دانی می‌باشد. خواص منحصر بفرد گرافن آن را کاندیدای بسیار مطلوبی برای طراحی نسل بعدی قطعه ‌های الکترونیکی و نوری همچون ساطع‌کننده‌های میدان، عناصر مدارهای مجتمع، الکترودهای رسانای شفاف، و حسگرها قرار داده ‌است. همچنین، رسانندگی الکتریکی و گذردهی نوری بالای گرافن، آن را به عنوان کاندیدی مناسب برای الکترودهای رسانای شفاف، که مورد استفاده در صفحه‌های لمسی و نمایشگرهای بلوری مایع و سلول‌های فوتوالکتریک و به علاوه دیودهای آلی ساطع‌کننده نور (OLED) معرفی می‌کند. به کارگیری بسیاری از این سامانه ‌های اشاره شده منوط به داشتن تک لایه گرافنی پایدار بر روی زیر لایه مناسب با گاف انرژی قابل کنترل می‌باشند که این موضوع خود با چالش جدی روبروست. از مشخصات دیگر گرافن میتوان به مدول الاستیسیته تا 1 تراپاسکال و همچنین نفوذ پذیری بسیار اندک گرافن دربرابر گاز ها باعث شده تا آینده روشنی برای گرافن به عنوان عایق متصور بوده و قابلیت پیوند صفحات گرافن با سطوح فلزات می تواند پوشش مناسبی برای لوله های مسی منتقل کننده گازها ایجاد کند و آنها را از خوردگی مصون دارد.

روش های تولید گرافن

   رسوب گذاری با بخار به روش شیمیایی، ورقه کردن با نوارچسب، چینش ملکولی و ورقه نمودن در فاز مایع از روش های ابداع شده تاکنون برای تولید گرافن است که کیفیت شکل گیری آن در هر روش متفاوت است. لیکن ورقه نمون گرافیت با نوارچسب تفلون هنوز نیز بهترین کیفیت صفحات گرافن را ارائه می دهد. درمیان روش های تولید اشاره شده رسوب گذاری بابخار به روش شیمیایی، بیشترین قابلیت تولید صنعتی برای کاربرد های مختلف را دارد و زمینه ساز تحقیقات گسترده در حوزه نانومواد دوبعدی گشت. این روش باتوجه به مصرف انرژی زیاد برای تولید و نیاز به لایه ی زیرین فلزی پرهزینه میباشد. با این وجود پیش از آن که گرافن بتواند به کمک این روش به تولید انبوه برسد نیاز است تا در درجه اول ابعاد ورق های گرافن و نحوه شکل گیری و کریستاله شدن آن براساس کاربردهای مختلفی که برایش متصور هستیم کنترل گردد. درعین حال کیفیت تولید به کمک این روش هنوز نیاز به بهبود داشته و باید به دنبال راهی بود تا بتوان فلز از دست رفته در این روش را بازیافت.

ایرادات ساختاری گرافن

   همانگونه که پیش از این نیز اشاره شد، خواص چشمگیر مکانیکی و شیمیایی گرافن باعث شده تا کاربردهای فراوانی برای آن متصور باشند، با این حال برخی از این ویژگی ها زمانی قابل حصول است که بتوان ایرادات بسیار اندکی را در سطح صفحه گرافن شاهد بود. ایرادات در ساختار گرافن را میتوان به عمد با پرتوافکنی و یا با واکنش های شیمیایی ایجاد نمود. در مجاورت این نواقص، خواص مکانیکی کاهش یافته و رسانش گرمایی نیز تحت الشعاع قرار خواهد گرفت. در مواد کریستالی میکروسکوپی، ایرادات ذاتی این مواد ابعاد مختلفی دارد و گرافن نیز از این قاعده مستثنی نمی باشد و درادامه به برخی از این ایرادات اشاره خواهد شد.

استون-ولز(SW): برای ساده ترین نقص در سطح گرافن می توان به تغییر وضعیت از شبکه بندی شش ضلعی به هفت ضلعی و پنج ضلعی اشاره کرد.

   تک حفره در سطح گرافن(SV): با از دست رفتن یک اتم از سطح گرافن، منجر به آن می شود که دو تا از سه مورد اتصال بین اتمی در اتم از دست رفته اشباع شود و یک شبکه 9 ضلعی و یک شبکه 5 ضلعی شکل گیرد. این نقص حتی با تاباندن یک الکترون و یا یون با قوه محرک کافی در دمای اتاق نیز ممکن است.

   حفره دوتایی در سطح گرافن(DV): این نقص با از دست رفتن دو اتم در مجاورت یکدیگر از سطح گرافن و یا ایجاد دو حفره تکی در گرافن ایجاد می شود و از منظر ترمودینامیکی برای گرافن مطلوب تر میباشد و باتوجه به تراز انرژی سطح گرافن شکل گیری آن نیز متنوع خواهد بود.

   حضور اتم زائد: زمانی که این اتم ها در کریستال های سه بعدی ظاهر می شوند، در صفحه گرافن به دلیل نیاز به سطح انرژی بالا حضور نمی یابند. آنچه که از منظر سطح انرژی برای اینگونه اتم ها مطلوب می باشد، ایجاد پلی برروی پیوند اتم های کربن در صفحه گرافن است. زمانی که اتم کربن در اندرکنش با صفحه گرافن قرار می گیرد، هیبریداسیون اتم های کربن در لایه  گرافن تفاوت خواهد کرد و منجر به ایجاد پیوند تازه بین اتم زائد و صفحه زیرین گرافن خواهد شد. در همین حین این امکان وجود خواهد داشت که تفاوت انرژی 0.3 الکترون-ولت باعث جابجایی این اتم زائد گردد و در سطح صفحه گرافن منتقل شود که به معنای آن است که این اتم به دمای اتاق نیز واکنش نشان خواهد داد.

  ایراد دیگر زمانی است که دو اتم زائد به یکدیگر رسیده و منجر به خمیدگی در صفحه گرافن می شوند. توان مطلوب برای این ایراد نیاز به سطح انرژی برابر با 2.6 الکترون-ولت داشته و سبب میشوند تا در گرافن دو شبکه بندی 5 ضلعی و 7 ضلعی صورت گیرد که به آن معکوس استون-ولز گفته می شود(ISW). برای شکل گیری کامل این نقص نیاز است تا انرژی 5.8 الکترون-ولت حضور داشته که حتی از سطح انرژی مطلوب برای نقص SW نیز بیشتر خواهد بود. اگرچه، این ایراد میتواند در شرایط نامتعادل و زمانی که دو اتم کربن از صفحه خارج شده و جذب ساختار گرافن میشوند روی دهد. چنین نقصی در دمای محیط غیرقابل انتقال بوده و تنها یک انحنا در صفحه گرافن ایجاد می کنند. دسته دیگر از اتم های زائد می تواند اتم فلزات باشد که این اتم ها امکان جایگزینی با اتم کربن و یا قرار گیری برروی صفحه گرافن را دارند. این اتم ها توجه بسیاری را به خود جلب نموده اند زیرا میتوانند به سیستم الکترونی گرافن، تزریق شارژ داشته باشند.

 بسیاری از اتم فلزات منتقل شونده(TM) می توانند باعث تغییر پیوند شبکه بندی گرافن شده و جایگزین اتم های کربن گردند. انرژی ترکیب نقص حفره TM برابر 2 تا 8 الکترون-ولت بوده و به طرز شگفت انگیزی منجر به به القای خاصیت آهنربایی به گرافن خواهند شد.

  توپولوژی گرافن آسیب پذیر: از زمان کشف باگی بال ها در سال 1980، ایجاد انحنای محدود در این توپ های کربنی ناشی از عدم شبکه بندی شش ضلعی شناسایی شده بود. حضور حلقه های پنج ضلعی باعث ایجاد انحنای کروی و حضور حلقه های هفت ضلعی سبب ایجاد انحنای منفی(زین اسبی) می گردد. دامنه نواقص در گرافن می تواند از ایجاد انحنای تپه مانند تا حفره های ترانشه مانند تغییر کند. در سوی دیگر، قرارگیری متقارن حلقه های پنج ضلعی و هفت ضلعی میتواند انحنای یکدیگر را خنثی کند. گرچه انحراف از حالت مسطح صفحه گرافن میتواند با حضور نقصی نظیر SW ظاهر شود.

   نواقص تک بعدی: این ایراد عمدتاً منجربه جدایی دو دسته از شبکه بندی گرافن میشود. اینگونه نواقص همچنین می تواند در لبه صفحه گرافن صورت گرفته و یا ناشی از شکل گیری حلقه های پنج و هشت ضلعی در یک راستا باشد.   این ایرادات می تواند دامنه گسترده ای را شامل گردد و با برهم خوردن شبکه بندی شش ضلعی گرافن و ایجاد اعوجاج در صفحه آن از خواص مکانیکی مورد انتظار بکاهد و با قرارگیری اتمی برروی صفحه و برهم زدن  شبکه بندی گرافن و یا نواقص رایج در لبه صفحه آن به منظور کاهش تراز انرژی، بکار گیری هرچه سریعتر گرافن برای کاربری های پیش بینی شده برای آن را با مشکل مواجه سازد. تأثیر این نواقص بر مشخصه های مکانیکی گرافن هنوز به طور مشخص به مرحله آزمایش نرسیده است ولیکن براساس آزمایشات صورت گرفته بر پیکره نانو لوله های کربنی و مطالعات انجام شده بر این دسته از نانو مواد کربنی، انتظار می رود که حضور حفره در سطح گرافن مدول الاستیسیته و مقاومت کششی آن را کاهش دهد و  نواقصی که بر یک خط بر صفحه گرافن ظاهر می شود بر تغییر شکل پلاستیک گرافن اثر گذار باشد. با این وجود با پیدا کردن راهکاری برای ترمیم ایرادات اشاره شده برای گرافن می توان به میزان زیادی عملکرد آن را بهبود داد که این یک قابلیت منحصر به فرد برای گرافن به شمار می آید.

مشخصات شکست گرافن و تأثیر نواقص گرافن برآن

 مشخص است که برای مواد نانو کریستالی، سختی و مقاومت آنها بسیار وابسته به ساختارشان میباشد و گرافن نیز از این قاعده مستثنی نیست. فلزات نانو کریستالی به طرز چشمگیری سخت تر بوده و شکل پذیری کمتری نسبت به میکروکریستال ها دارند.  درتقابل با توده مواد شکننده نظیر سرامیک، گرافن توان تولید شدن در شرایط محیطی کنترل شده تر و تمیزتر را دارد. در نبود نواقص خارجی در سطح گرافن، نواقص ذاتی گرافن در نانوساختار دانه ای آن می تواند بشدت استقامت گرافن را تحت تأثیر قراردهد. تئوری های گذشته که برای سرامیک های شکننده با ترک های خارجی توسعه یافته اند، برای تعیین استقامت مواد با نواقص ذاتی قابل استفاده نخواهند بود. در گرافن حضور نواقصی نظیر نقص در مرز کریستال های به هم تنیده گرافن (GB)ویا تقاطع مرزی نانوبلورهای گرافن، منجر شده تا تئوری های توسعه یافته گذشته برای سرامیک های شکننده با نواقص عمده برای موادی اینچنین منقضی شود. زمانیکه استقامت پلی کریستال شکننده صفحه گرافن با ضعیف ترین نقص موجود در کل صفحه آن مشخص می شود، سختی آن به عکس تحت تأثیر نزدیکترین GB در حوالی ترک است. استقامت و سختی گرافن با حضور تنش پسماند در صفحه گرافن کاهش خواهد یافت. این تنش پسماند به خودی خود در شبکه بندی شش ضلعی گرافن وجود نداشته و در مرز GB ها و TJsحضور دارد و مکانی است که  شکستگی آغاز خواهد شد.